三維激光投影技術的裝配定位方法研究

王帥

摘要：隨著我國航空事業的不斷發展，對飛機裝配精度和效率提出了更高的要求，將激光投影定位技術引入飛機裝配制造，符合建立基于數字化、信息化、智能化的飛機設計制造技術體系的基本要求。目前，以某型機為例，通過研究激光投影定位儀及相關軟件的使用方法和操作流程，并在某型機翼身組合體試驗件上進行初步試用的基礎上，通過在典型壁板試驗件上，利用激光投影定位儀進行典型零件的投影定位、緊固件的投影制孔，裝配完成后使用激光跟蹤儀進行精度檢測，驗證三維激光投影定位儀滿足裝配精度要求，同時大大的提高了裝配效率。本研究在裝配試驗過程中發現并解決的問題對激光投影定位技術在飛機裝配領域的應用具有重要的參考價值。

關鍵詞：數字化；三維激光投影；裝配

一、引言

傳統的裝配定位方法――裝配夾具、樣板定位等方式雖能滿足裝配精度要求，但是一般對于飛機內部不易設置工裝、樣板的零件不適用，例如：零組件對接處的連接片、系統角片支架等，此類零件通常采用依靠基準產品畫線定位等方式，精度差而且效率低；其次，對于連接關系復雜、不便直接取制導孔的零件，傳統工藝采用畫線制孔或樣板制孔，導致制孔效率低、精度差，且如果產品設計發生更改，相應的鉆孔樣板也需相應更改，導致重復投入成本較高；在裝配工程中，工裝問題及零件制造問題難以及時發現，裝配出現問題才會去復查工裝及零件，往往造成不必要的產品質量問題。

三維激光投影定位技術可以實現典型零件的投影定位、緊固件的投影制孔，降低成本，提高產品質量和生產效率。三維激光投影定位技術已在航空航天、船舶重工、汽車、軍工、高鐵和科研等領域被廣泛使用，以美國波音公司為例，就有超過900套激光投影定位設備，已滲入到波音公司的各個制造和裝配環節中，節省了大量模板和定位工裝，在節約成本的同時還提高了工作效率和定位精度。但是，激光投影定位技術在國內航空制造業還未得到普及，基于該技術的課題研究在我公司也是首次提出，具有一定的發展前景。因此要建立和完善基于數字化、信息化、智能化的飛機設計制造技術體系，進一步提高飛機裝配水平，需盡快引入激光投影定位技術，并在飛機裝配過程中進行廣泛驗證，不斷擴大激光投影定位技術的應用范圍，提高產品質量和裝配效率。

二、高精度三維激光投影技術介紹

1.關鍵技術

三維激光投影定位技術是通過對高速轉動的高精度光學振鏡控制光束快速經過三維空間中指定的點來實現的。高速重復運動的光束在人眼看來呈一條連續的線條，這種由綠色激光產生的虛擬模板，稱作“激光投影”。

2.設備參數

本課題選用的是激光投影定位儀LPT15，測量范圍為1～15.2m，投影測量精度可達0.13mm，所擁有數字光束轉向系統、自動聚焦系統、靈敏的信號探測系統等多項專利技術，使其在生產裝配過程中能夠完成投影定位、掃描、驗證、測量等任務。

3. 所需條件及要求

1）產品三維數模；

2）產品工裝上6個精確的基準孔，用于插入靶標進行LPT激光投影定位儀的校準；如果基準孔數量不足，用激光跟蹤儀進行測點以滿足LPT校準建立坐標系所用靶點數量要求；

3）供設備正常運行的220v電源，以及場地條件滿足激光投影定位儀的投影范圍覆蓋整個產品；

4）LPT15激光投影定位系統1套。

三、數據庫制作及投影操作

LPT是以數據庫的形式來對投影任務進行管理。同一數據庫中可包含不同的激光組文件、參數文件、靶點文件、投影文件，且隨時可以對這些文件進行調用或是更換。根據產品的大小，選擇創建一個數據庫的數量，同時根據零件的類型制作成獨立的投影文件，并根據零件的牌號進行命名，使數據管理規范化，條理化，方便查找和調用。零件制孔驗證的投影文件也采用這種方式來制作，但投影文件下的每個圖層所包含的孔的數量為5-8個，以防止出現頻閃，在投影過程中可用LPT的自動下一圖層功能來實現圖層的快速切換。

1.創建投影任務數據庫

利用RayTracer Administrator軟件創建一個新的數據庫并以組件號XX-XXXX-001命名，并設置激光組文件、參數文件，來實現網絡連接并指定哪臺激光投影儀來完成投影任務，并指定選用的計量單位及相關參數。

2.創建靶點文件

利用Verisurf軟件在XX-XXXX-001數據庫中創建靶點文件和投影文件，打開LPT Linker用來收集靶點文件和投影文件的數據點。輸入6個精確點（一般采用工裝上的TB點或ERS點）的坐標，并傳輸到Linker中加載到數據庫中，完成靶點文件的創建，之后這些數據將會用于在LPT Operator中進行建立坐標系。

3.創建投影文件

利用Verisurf軟件中的“Contour”工具，選取需要投影的零件輪廓線，并以零件號來命名圖層名稱，傳輸到Linker中加載到數據庫中，完成投影文件的創建。

4.投影操作

完成投影文件創建以及設備的安裝后進行產品投影，利用RayTracer Operator軟件進行投影，首先投影視場范圍，確定激光投影定位儀與產品的相對位置，并聚焦調整投影線的粗細，使其在工件表面達到最佳線寬。然后手動校準前四個靶點，鼠標控制激光束移動到靶點附近進行捕捉，后兩個靶點激光投影定位儀進行自動掃描校準，RayTracer Operator主界面由紅色變為綠色，手動校準完成，系統自動完成校準重新建立坐標系。查看校準精度，分析每個靶點校準的精度報告，見圖7，對誤差較大的靶點進行調整，直到每個靶點達到精度要求，操作界面由紅色變為綠色，完成坐標系的建立。

四、結束語

隨著我國航空事業的不斷發展，對飛機裝配精度和效率提出了更高的要求，將激光投影定位技術引入飛機裝配制造，符合建立和完善基于數字化、信息化、智能化飛機設計制造技術體系的基本要求，具有良好的發展前景。總體概括來說，本項目達到并超出了預期的效果，利用激光代替傳統畫線制孔、零件定位具有重要的現實意義，后續將在某型機研制批上進行應用，在裝配過程中不斷擴大激光投影定位技術的應用范圍，技術成熟后逐漸推廣至各機型，提高產品質量和裝配效率，縮小國內飛機裝配工藝與國外先進飛機裝配工藝之間的差距。

參考文獻

[1] 航空工藝裝備設計手冊編寫組，《航空工藝裝備設計手冊》，國防工業出版社，北京，1978.

[2] 航空制造工程手冊總編委會，《航空制造工程手冊》第二版，航空工業出版社，北京，2010.

（作者單位：航空工業西安飛機工業有限責任公司）